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Dokumentenidentifikation DE60218527T2 22.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001456590
Titel KOMBINIERTE WÄRME-UND-STROM-EINHEIT FÜR DEN HAUSHALT
Anmelder Microgen Energy Ltd., Reading, Berkshire, GB
Erfinder ALDRIDGE, Wayne Kenneth, Nottingham NG13 9PU, GB;
CLARK, David Anthony, Leicestershire LE67 2BU, GB;
FRANCIS, George McChesney, West Midlands B92 9QN, GB;
ALLDERIDGE, Heather, Aston-on-Trent, Derby DE72 2AE, GB;
ROBERTS, Graham Richard, Warwick CV35 7LG, GB
Vertreter BEETZ & PARTNER Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60218527
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.12.2002
EP-Aktenzeichen 028066322
WO-Anmeldetag 18.12.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/GB02/05774
WO-Veröffentlichungsnummer 2003076857
WO-Veröffentlichungsdatum 18.09.2003
EP-Offenlegungsdatum 15.09.2004
EP date of grant 28.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse F27D 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Versorgung privater Haushalte mit Strom kann nicht immer garantiert werden und kann aufgrund einer Vielzahl von äußeren Umständen ausfallen. Wärmeerzeuger für Haushalte benötigen im Allgemeinen eine Stromversorgung, um die Steuerelektronik, Zündvorrichtungen etc. mit Energie zu versorgen, auch wenn es sich bei dem primären Kraftstoff um Gas handelt. Durch einen Ausfall des Netzstroms fehlt dem Wohnhaus also seine Hauptenergiequelle für Wärme, wie auch für die Beleuchtung etc. Im Falle eines solchen Ausfalles ergeben sich für den Verbraucher im Allgemeinen starke Beeinträchtigungen und Unannehmlichkeiten, und wenn abgelegene Häuser, sehr alte oder sehr junge Menschen betroffen sind, kann die Situation sehr viel ernster werden.

Einrichtungen für Reserveenergie erzeugende Anlagen für Haushalte bestehen üblicherweise aus motorbetriebenen Generatoren, die nach Auftreten des Stromausfalles an den Stromkreis des Hauses angeschlossen werden müssen. Anschließend versorgen sie den Haushalt mit Strom, bis die Versorgung durch das Stromnetz wieder hergestellt ist. Der Generator muss dann wieder abgeschaltet, vom Stromkreis des Hauses getrennt und die Verbindung zum Versorgungsnetz wieder hergestellt werden. Eine solche Einrichtung stellt zwar Reserveenergie bereit, hat jedoch Nachteile hinsichtlich der Aufbewahrung des Generators und/oder der Tatsache, dass er bei Bedarf in Position gebracht werden muss; weiterhin muss ein alternativer Brennstoffvorrat für den Generator vorhanden sein, dieser muss regelmäßig gewartet werden, um zuverlässig zu funktionieren, und es muss ein sicheres Umschalten gewährleistet sein. Eine solche Anlage kann also bei einer städtischen Wohnstatt nicht eingesetzt werden, bei der kein Platz wie beispielsweise eine Garage vorhanden ist, um den Generator unterzubringen.

Heizungsanlagen für Haushalte, die eine interne Stromversorgung umfassen, wurden bereits entwickelt, wie beispielsweise in Dokument DE 29706869, in welchem eine Reserve-Speicherbatterie das Heizsystem eine gewisse Zeit lang mit Strom versorgen kann. Ein lang andauernder Stromausfall würde jedoch nach wie vor zu einem Verlust der Wärme führen.

Es gibt photovoltaische Systeme, die eine Notstromversorgung bereitstellen können, doch sind diese abhängig von den Wetterverhältnissen und benötigen Tageslicht, um Strom zu erzeugen.

Auch die Windenergie ist von äußeren Bedingungen abhängig und eignet sich nicht als zuverlässiger Notstromlieferant. Brennstoffzellen könnten für eine potenzielle Notstromversorgung dienen, wie in Dokument JP 4308432 dargelegt, in welchem Solarzellen oder Treibstoffzellen für die Bereitstellung von Reserveenergie verwendet werden, jedoch ausschließlich ein Gleichstromsystem speisen. Die Reserveenergie ist extern und für jede Einrichtung einsetzbar, und nicht auf eine Heizungsanlage beschränkt.

Der vorliegende Anmelder hat kürzlich eine kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt (domestic combined heat and power unit, dchp-Einheit) umfassend einen Linear-Freikolben-Stirling-Motor (linear free piston Stirling engine, LFPSE) angemeldet. Das Dokument "Microgen-Cogeneration for the home" von Dann et al., vorgestellt auf der International Gas Research Conference, San Diego, 1998, bietet einen Überblick über die anerkannten Anforderungen an Kleinst-Cogenerationssysteme sowie eine Einführung in die Prinzipien, die einer dchp-Einheit mit Stirling-Motor zu Grunde liegen. Wie in diesem Schriftstück angedeutet, ist es ein wünschenswertes Merkmal einer solchen dchp-Einheit, Reserveenergie im Falle eines Stromausfalles bereitstellen zu können. Das Schriftstück deutet außerdem an, ohne jedoch näher darauf einzugehen, dass eine solche Bereitstellung Verwicklungen mit sich bringt.

EP-0 445 510 betrifft ein Energieversorgungssystem für den Haushalt, das an ein Versorgungsnetz angeschlossen ist und eine dchp-Einheit umfasst, die eine Reserve-Energieversorgung bereitstellt.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, mit den Schwierigkeiten bei der Bereitstellung von Reserveenergie mit Hilfe einer dchp-Einheit.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Energieversorgungssystem für den Haushalt zur Bereitstellung von Wärme und Strom für den Bedarf eines Wohnhauses vorgesehen, wobei das System umfasst eine Anbindung an ein Versorgungsnetz, das zumindest einen Teil des Strombedarfs eines Haushalts unter normalen Betriebsbedingungen deckt; eine kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt mit einer Versorgung mit brennbarem Kraftstoff, die elektrischen Strom und Wärme für zumindest einen Teil des Wärmebedarfs eines Haushalts erzeugt, wobei die Einheit auch in Abwesenheit eines Versorgungsnetzes betriebsfähig ist; Vorrichtung zur Erkennung einer Unterbrechung der Stromversorgung vom Versorgungsnetz; und Vorrichtung zur automatischen Zuschaltung des Stroms aus der kombinierten Wärme-und-Strom-Einheit bei Fehlen von Netzstrom, um eine Reservestromversorgung für ausgewählte, Strom verbrauchende Geräte bereitzustellen, deren Stromverbrauch geringer als der des gesamten Haushaltes ist.

Die dchp-Einheit deckt zumindest einen Teil des Wärme- und Strombedarfs unter normalen Betriebsbedingungen, wenn Netzstrom vorhanden ist, indem Brennstoff aus der Versorgung mit brennbarem Kraftstoff verbraucht wird. Wenn die Versorgung durch das Stromnetz unterbrochen ist, werden ebendiese Einheit und die Versorgung an brennbarem Kraftstoff genutzt, um Strom für Strom verbrauchende Geräte zu erzeugen. Die dchp-Einheit weist eine Maximalleistung auf, die üblicherweise nicht ausreicht, um den gesamten Energiebedarf eines Haushalts im letzterwähnten Falle zu decken. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der erzeugte Strom daher in erster Linie für die Betriebssysteme der dchp-Einheit verwendet, um weiterhin Wärmeleistung zu hervorzubringen. Es ist jedoch beabsichtigt, dass der von der dchp-Einheit während eines Stromausfalls erzeugte Strom auch dafür ausreicht, dass andere, ausgewählte, elektrisch betriebene Geräte, wie beispielsweise ein Teil der Beleuchtung und essentielle elektrische Anwendungen bis zu einem gewissen Grad vom Verbraucher genutzt werden können. Um jedoch zu verhindern, dass übermäßig viel Strom von der dchp-Einheit gezogen wird (beispielsweise während eines Stromausfalls), was zu einem Blockieren des Stirling-Motors führen würde, sieht die vorliegende Erfindung vor, dass ein Teil, jedoch nicht der gesamte bei Anwesenheit von Netzstrom benötigte Strom bereitgestellt wird, um Licht oder Steckdosen auch während eines Stromausfalls zu versorgen. In einer bevorzugten Ausführung können bei Unterbrechung der Stromversorgung nur bestimmte Haushaltssteckdosen mit Strom versorgt werden. Alternativ kann die an die Steckdosen gelieferte Spannung auf einen bestimmten Strombedarf reduziert werden, um somit wiederum die elektrische Leistung zu einzuschränken, die von der dchp-Einheit gezogen wird.

Da die Reservestromerzeugung nicht von einer Batterie betrieben wird, kann sie unbegrenzte Zeit fortgesetzt werden, solange der Vorrat an brennbarem Kraftstoff vorhanden ist.

Wenn das System ohne Netzstrom arbeitet, so dass Strom ausschließlich von der dchp-Einheit geliefert wird, kann durch einen Verbraucher eine Überlast verursacht werden, welche die dchp-Einheit beschädigen kann. Es ist möglich, einfach eine Sicherung bereitzustellen, welche die Stromzufuhr an das ausgewählte, Strom verbrauchende Gerät unterbricht, falls eine Überlast verursacht wird.

Vorzugsweise umfasst das System jedoch weiterhin eine Vorrichtung, um die angeforderte Stromlast des ausgewählten, Strom verbrauchenden Geräts zu ermitteln, sowie eine Vorrichtung, um die an das ausgewählte Gerät gelieferte Spitzenspannung zu reduzieren, wenn der angeforderte Strom einen Schwellenwert überschreitet. Bei diesem Ansatz wird der Verbraucher auf die Tatsache aufmerksam gemacht, dass er versucht, übermäßig viel Strom zu ziehen, indem sich die Leistung seiner Elektrogeräte auffällig verschlechtert (beispielsweise kann die Beleuchtung schwächer werden). Er kann dann Maßnahmen ergreifen, um seinen Stromverbrauch zu reduzieren. Für den Fall dass keine solchen Maßnahmen ergriffen werden, umfasst das System vorzugsweise außerdem eine Vorrichtung, um die Stromzufuhr an das ausgewählte, Strom verbrauchende Gerät zu unterbrechen, falls der angeforderte Strom über eine vorherbestimmte Zeitdauer hinweg einen Schwellenwert überschreitet.

In erster Linie wird beabsichtigt, die dchp-Einheit mit Hilfe der Gasversorgung für Haushalte zu betreiben, da dies die am weitesten verbreitete Quelle an brennbarem Kraftstoff ist. Es können jedoch auch andere brennbare Gase wie beispielsweise verflüssigtes Erdölgas, verflüssigtes Erdgas, Biogas oder ein anderer flüssiger Brennstoff verwendet werden. In abgelegenen Häusern, die einen begrenzten Vorrat an flüssigem Brennstoff besitzen, der regelmäßig wieder aufgefüllt wird, ist die Kapazität für die Notstromerzeugung zugegebenermaßen eingeschränkt. Dennoch übersteigt diese Kapazität immer noch bei Weitem die Möglichkeiten jeder handelsüblichen Batterie. Und auch unter solchen Umständen ist die vorliegende Erfindung gegenüber einem separaten Generator zu bevorzugen, da die Kosten eines solchen Generators und die Schwierigkeit, den Generator manuell starten zu müssen, auf diese Weise vermieden werden.

Allgemein wird die Verwendung eines Stirling-Motors als kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt bevorzugt. Bei dem Stirling-Motor handelt es sich vorzugsweise um einen Linear-Freikolben-Stirling-Motor. Dieser bietet verschiedene Vorteile. So handelt es sich dabei zum Beispiel um eine gekapselte Baugruppe, die wenig Wartung erfordert und synchron arbeitet, um eine stabile Ausgangsleistung bereitzustellen.

Die ausgewählten, Strom verbrauchenden Geräte können in Form von Komponenten vorgesehen sein, die von den Hauptstromkreisen in dem Haus komplett getrennt sind (z.B. ein Notbeleuchtungsstromkreis).

Allerdings bedingt dies die Verdoppelung von Leitungsnetz und Geräten. Alternativ können die ausgewählten, Strom verbrauchenden Geräte diejenigen sein, die sich an einem Ringnetz in einem Haus befinden, das eine Reihe solcher Ringnetze aufweist. Vorzugsweise ist das System jedoch mit einer Vorrichtung ausgestattet, mit Hilfe derer verschiedene, Strom verbrauchende Geräte bei Abwesenheit von Netzstrom selektiv abgeschaltet werden können.

Wenn die Vorrichtung zur Erkennung einer Unterbrechung der Stromversorgung vom Versorgungsnetz zudem in der Lage ist, zu erkennen, ob sich die Hauptspannung oder die Frequenz des Netzstroms außerhalb akzeptabler Werte befinden, ist eine weitere Betriebsweise möglich. So kann das System bestimmte Geräte vom Netzstrom trennen, wenn dieser keine geeignete Qualität aufweist, und dieses Gerät stattdessen mit Strom aus der dchp-Einheit versorgen.

Auf diese Weise können sensible Geräte geschützt werden, während weniger sensible Geräte weiterhin mit Netzstrom versorgt werden.

Bei normalen Betriebsbedingungen kann die dchp-Einheit die Fähigkeit aufweisen, in Zeiten mit großem Wärmebedarf und niedrigem Strombedarf überschüssigen Strom in das Versorgungsnetz zu exportieren. Wenn sie vom Versorgungsnetz getrennt ist, ist dies nicht mehr möglich. Das System ist daher vorzugsweise mit einer Stromsenke ausgestattet, um überschüssigen Strom zu verbrauchen.

Diese Stromsenke ist vorzugsweise in Form eines luft- oder wassergekühlten Widerstandes vorgesehen. Somit wird der Überschussstrom in Wärme umgewandelt, die nutzbringend eingesetzt werden kann, da es sich ja eben um Betriebsbedingungen mit großem Wärmebedarf handelt.

Umgekehrt würde die Anlage bei großem Strombedarf und geringem Wärmebedarf unter normalen Betriebsbedingungen diesen Strombedarf einfach mit Netzstrom decken, während die dchp-Einheit betrieben würde, um dem Wärmebedarf zu entsprechen. In Versorgungsnetz-unabhängigem Zustand ist dies nicht möglich. Infolgedessen ist vorzugsweise eine Wärmesenke vorgesehen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein zusätzliches Gebläse, welches in der Lage ist, Wärmeleistung von der dchp-Einheit abzuleiten.

Die Betriebsweise der dchp-Einheit ist dergestalt, dass ein Teil der Betriebszeit für das Abschalten des Motors/Generators vorgesehen ist.

Wenn der Netzstrom unter diesen Bedingungen ausfällt, ist es von Vorteil, die dchp-Einheit trotzdem starten zu können, damit Wärme und Notstrom geliefert werden können. Daher weist die kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt vorzugsweise einen Stirling-Motor auf, umfassend einen Brenner zum Einspeisen von Wärmeenergie in den Motorkopf, um ein hin- und herbewegbares Element anzutreiben, wobei das hin- und herbewegbare Element mit Hilfe eines Wechselstromgenerators elektrische Energie erzeugt; und ein Anlaufsystem umfassend eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Anlaufens der Anlage, eine Zündvorrichtung zum Zünden des Brenners, einen Impulsgenerator, der einen elektrischen Impuls an den Generator liefert, um das hin- und herbewegbare Element in Bewegung zu setzen, sobald die Steuerungsvorrichtung feststellt, dass der Motorkopf eine Schwellwert-Temperatur erreicht hat, und eine lokal begrenzte Versorgungsquelle mit elektrischer Energie, zum Antreiben von Steuerungsvorrichtung, Zündvorrichtung und Impulsgenerator während des Anlaufvorgangs.

Diese Einheit stellt einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung dar, welcher in Verbindung mit dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung oder unabhängig von diesem verwendet werden kann.

Insbesondere weist die kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Stirling-Motor auf, umfassend einen Brenner zum Einspeisen von Wärmeenergie in den Motorkopf, um ein hin- und herbewegbares Element anzutreiben, wobei das hin- und herbewegbare Element mit Hilfe eines Wechselstromgenerators elektrische Energie erzeugt; und ein Anlaufsystem umfassend eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Anlaufens der Anlage, eine Zündvorrichtung zum Zünden des Brenners, einen Impulsgenerator, der einen elektrischen Impuls an den Generator liefert, um das hin- und herbewegbare Element in Bewegung zu setzen, sobald die Steuerungsvorrichtung feststellt, dass der Motorkopf eine Schwellwert-Temperatur erreicht hat, und eine lokal begrenzte Versorgungsquelle mit elektrischer Energie, zum Antreiben von Steuerungsvorrichtung, Zündvorrichtung und Impulsgenerator während des Anlaufvorgangs.

Bei der lokal begrenzten Versorgungsquelle handelt es sich vorzugsweise um eine Gleichstromquelle wie beispielsweise eine Batterie, es können jedoch zum Beispiel auch ein oder mehrere Kondensatoren vorgesehen sein. Diese Stromquelle wird nur benötigt, um Steuerungsvorrichtung, Zündvorrichtung und Impulsgenerator anzutreiben. Sie unterscheidet sich damit grundlegend von allen bestehenden Anwendungen, bei denen die Batterie den gesamten Reservestrom liefern muss. Mit dem Wiederaufladen der Batterie kann sofort begonnen werden, wenn der Stirling-Motor läuft.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Energieversorgungssystem für den Haushalt zur Bereitstellung von Wärme und Strom für den Bedarf eines Wohnhauses vorgesehen, wobei das System umfasst eine Anbindung an ein Versorgungsnetz, das zumindest einen Teil des Strombedarfs eines Haushalts unter normalen Betriebsbedingungen deckt; eine kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt mit einer Versorgung mit brennbarem Kraftstoff, die elektrischen Strom mit einer normalen Betriebsspannung, die im Wesentlichen der des Netzstroms entspricht sowie Wärme für zumindest einen Teil des Wärmebedarfs eines Haushalts erzeugt, wobei die Einheit auch in Abwesenheit eines Versorgungsnetzes betriebsfähig ist; eine Vorrichtung zur Erkennung einer Unterbrechung der Stromversorgung vom Versorgungsnetz; einen Schalter zur Zuschaltung des Stroms aus der kombinierten Wärme-und-Strom-Einheit bei Fehlen von Netzstrom, um zumindest einen Teil des Strombedarfs bereitzustellen, wenn die Abwesenheit des Netzstroms von der Vorrichtung zur Erkennung erkannt wurde; und einen Anlagenleistungsbegrenzer, der so eingerichtet ist, dass er in der Zeitspanne, wenn der Strombedarf des Haushalts von der Anlage gedeckt wird, die momentane Spitzenspannung der Leistung der Anlage auf einen Wert reguliert, der geringer ist als die normale Betriebsspannung, sobald der von dem Haushaltsstrombedarf gezogene Strom den Maximalwert an Strom überschreitet, der von der Einheit bei normaler Betriebsspannung bereitgestellt werden kann.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Im Folgenden werden Beispiele für ein System und eine Einheit gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 eine schematische Darstellung eines Stirling-Motor-Systems ist, welche die verschiedenen Eingänge und Ausgänge des Systems zeigt;

2 ein Schaltschema eines bestehenden Energieversorgungssystems darstellt;

3 ein Schaltschema zeigt, das dem aus 2 ähnlich ist, jedoch ein System gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und

4 eine schematische Darstellung der Betriebsweise des Versorgungsnetz-unabhängigen Moduls ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

Das dchp-System ist um einen Stirling-Motor herum aufgebaut, wie in 1 dargestellt. Bei dem Motor handelt es sich vorzugsweise um einen Linear-Freikolben-Stirling-Motor, dessen Wirkungsweise unter Fachleuten allgemein bekannt ist. Zur Verwendung in einem dchp-System sollte der elektrische Ausgang des Motors ein Einphasen-Ausgang mit 16A sein.

Der Stirling-Motor 1 wird mit einer Wärmezufuhr aus einem Motor-Brenner 2 angetrieben. Dieser Brenner wird mit brennbarem Gas 3 betrieben, das mit Hilfe des Ventils 5 mit Luft 4 gemischt wird. Das Gas-/Luft-Gemisch wird mit Hilfe eines Gebläses 6 in den Brenner 2 eingespeist. So wird der Stirling-Motor auf unter Fachleuten allgemein bekannte Weise angetrieben und erzeugt mit Hilfe eines linearen Wechselstromgenerators elektrische Energie 7. Dem Stirling-Motor wird Wärme an einem Kühler 8 entzogen, bei dem es sich im Wesentlichen um einen Wärmeaustauscher handelt, durch den mit Hilfe einer Pumpe 9 Wasser entlang einer Leitung 10 gepumpt wird.

Das Wasser, das den Kühler 8 durchläuft, wird dann in einem Wärmeaustauscher 11 mit Hilfe von Abgasen aus dem Motor-Brenner weiter erwärmt, der den Kopf des Stirling-Motors erwärmt hat. Um das Wasser weiter zu erwärmen und um das Wasser auch unabhängig von dem Stirling-Motor erwärmen zu können, wenn dieser nicht in Betrieb ist, ist ein zusätzlicher Brenner 12 vorgesehen, um das Wasser in dem Wärmeaustauscher 11 zu erwärmen. Der zusätzliche Brenner wird mit dem brennbaren Gas 3 betrieben, das mit Hilfe des Ventils 15 mit Luft 14 gemischt wird. Das Gas-/Luft-Gemisch wird mit Hilfe eines Gebläses 6 in den zusätzlichen Brenner 12 eingespeist.

Das Gebläse 6 speist Luft in die Mischventile 5 und 15 mit Hilfe eines Umleitventils (nicht abgebildet), das den korrekten Luftstrom zu jedem Mischer sicherstellt.

In einem alternativen Entwurf werden getrennte Gebläse verwendet, um Luft in die zwei Gas-/Luft-Mischventile 5, 15 zu leiten. So wird zwar das Umleitventil überflüssig, wie in unserer Parallelanmeldung GB0130380.9 beschrieben, es entstehen jedoch wesentliche Nachteile hinsichtlich Gewicht, Kosten und Effizienz gegenüber dem Entwurf mit nur einem Gebläse.

Abgase aus dem Motor-Brenner 2 und dem zusätzlichen Brenner 12, die ihre Wärme in dem Wärmeaustauscher 11 abgegeben haben, treten dann über den Rauchgaskanal 17 aus. Auf diese Weise erzeugt der Stirling-Motor 1 elektrische Energie 7 und Wärmeenergie 18, die beispielsweise genutzt werden kann, um den Warmwasserbedarf des Haushalts zu decken oder eine Zentralheizungsanlage zu speisen, oder beides in einer kombinierten Vorrichtung ("Kombiboiler").

Das beantragte dchp-System ist so ausgebildet, dass es bis zu 1 kW Strom (netto) liefern kann, der direkt in das hauseigene Netz eingespeist und dort mit dem Strom aus dem Versorgungsnetz vereint wird. 2 zeigt die einfachste Schaltungsanordnung für einen hauseigenen Schaltkreis, der eine dchp-Einheit umfasst, die parallel zum Versorgungsnetz geschaltet ist.

In der in 2 dargestellten Anordnung gelangt der Strom aus dem Versorgungsnetz 20 über eine Netzsicherung 21 in das Haus, fließt durch den hauseigenen Stromzähler 22 und anschließend durch eine Standardverbrauchereinheit 23, die Komponenten wie beispielsweise Isolatoren, Unterbrecher und Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen umfasst. Von hier wird der Strom zu den hauseigenen Verbrauchern 24 geleitet.

Eine dchp-Einheit 25 umfasst im Wesentlichen die Stirling-Anordnung aus 1 sowie eine Steuertafel 26 und eine Netzschnittstelle 27. Der Wechselstromgenerator 28 ist der unter Bezug auf den Stirling-Motor 1 beschriebene Wechselstromgenerator und erzeugt die elektrische Energie 7, wogegen die Wärmesektion 29 den Brennern 2, 12 sowie dem Wärmeaustauscher 11 entspricht und Wärmeenergie in Form von heißem Wasser 18 erzeugt. Wie in 2 dargestellt, wird die elektrische Energie aus dem Wechselstromgenerator 28 über Leitung 30 zu der Netzschnittstelle 27 und über Leitung 31 an die Wärmesektion 29 geleitet, um diese Komponenten mit dem nötigen Strom zu versorgen. In dieser Anordnung erzeugt die dchp-Einheit nur dann Energie, wenn Netzstrom vorhanden ist und ist daher kein Versorgungsnetz-unabhängiges System.

Die Netzschnittstelle 27 ist detailliert in Dokument WO-A-01/69078 beschrieben. Sie befindet sich innerhalb der dchp-Einheit und ermöglicht es, dass die Einheit mit dem Versorgungsnetz verbunden und von diesem getrennt werden kann, bei einem normalen, "sanften" Anlassen oder Abschalten des Stirling-Motors (d.h. wenn Netzstrom vorhanden ist).

Die Steuertafel sendet über die Leitung 32 die entsprechenden Signale, um je nach Bedarf die Schnittstellenrelais zu aktivieren, zusätzlich zu ihrer Funktion, den Betrieb der gesamten Einheit zu steuern (Zuleitung von Kraftstoff an die Brenner, etc.). Anstelle der Relais kann auch alternative Netzschnittstellentechnologie eingesetzt werden, wie beispielsweise ein elektronischer Sparstelltransformator oder ein Einankerumformer.

Die Netzschutzsteuerung 26 ist gemäß Dokument WO-A-02/061911 ausgeführt und überwacht die Netzstromversorgung 20. Sie ist im Inneren der dchp-Einheit dargestellt, kann sich aber genauso außerhalb befinden sowie in die Verbrauchereinheit oder den Zähler integriert sein, je nach den Gegebenheiten vor Ort. Wenn die Stromversorgung aus dem Netz vorher festgelegte Spannungs- und Frequenzgrenzen über- oder unterschreitet, sendet die Netzschutzsteuerung 26 ein Signal an die Steuertafel 33, welche die Einheit an der Netzschnittstelle vom Versorgungsnetz trennt. Diese Trennung ist notwendig, um den Generator und das Netzwerk selbst zu schützen und genügt den gesetzlichen Vorschriften bezüglich dezentraler Energieerzeugungssysteme. Die gegenwärtigen, voreingestellten Grenzwerte, bei welchen eine Trennung auftritt, betragen bei der Spannung: –10%, + 10%, und bei der Frequenz: –6%, +1% des normalen Betriebspegels.

Das dchp-System wird über die Verbrauchereinheit 23 an die hauseigenen Verbraucher 24 angeschlossen und eine zusätzliche Sicherung sowie ein handbetätigter Trennschalter 34 sind in dem Schaltkreis vorgesehen, um ein sicheres Installieren und Entfernen der Einheit zu ermöglichen.

Das oben beschriebene System wurde gemäß der vorliegenden Erfindung angepasst, um die Erzeugung von Wärme und Strom in Abwesenheit von Netzstrom zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, sind verschiedene Anpassungen des Systems notwendig, wie unten unter Bezug auf 3 beschrieben.

In der in 3 dargestellten Anordnung setzt die Netzschutzsteuerung 26 den Betrieb fort, auch wenn die Netzstromversorgung unterbrochen ist, um die Netzstromversorgung zu überwachen und einen Wiederanschluss vorzunehmen, sobald sich der Netzstrom wieder innerhalb der voreingestellten Grenzwerte befindet.

Zusätzlich dazu ist, wie in 3 dargestellt, ein Versorgungsnetz-unabhängiges Modul 35 als Motor-Starteinrichtung vorgesehen, um ein Wiederanlassen der dchp-Einheit 25 bei Abwesenheit von Netzstrom zu ermöglichen. Dieses Modul 35 wird unten detaillierter beschrieben.

Im Falle eines Ausfalls der Netzversorgung wird der Strom von dem Wechselstromgenerator 28 über die Netzschnittstelle 27, das Versorgungsnetz-unabhängige Modul 35 und über die Leitung 36 an einen Versorgungsnetz-unabhängigen Einspeisungspunkt 37 oder Steckdosen 38 geliefert.

In der Anordnung aus 3 ist der Versorgungsnetz-unabhängige Einspeisungspunkt 37 an einen Sekundärstromkreis angeschlossen, der Geräte aufweist, die normalerweise nicht an den Hauptstromkreis des Hauses angeschlossen sind. Dies bedingt, dass einige Geräte verdoppelt werden müssen (Notbeleuchtung etc.), da es sich bei dem Ersatzstromkreis um einen separaten Stromkreis handelt, der unter normalen Bedingungen, also bei Anwesenheit von Netzstrom, ausgeschaltet ist.

Dafür ist bei dieser Anordnung ein Notstromkreis vorhanden, der dem Verbraucher ein gewisses Maß an Nutzbarkeit bietet. Der Notstromkreis kann Strom bis zur vollen Auslastung des Generators bereitstellen, abzüglich des parasitären Stroms, der von den Betriebseinrichtungen der Einheit (Pumpen, Steuerelektronik, etc.) gezogen wird und der üblicherweise rund 10–20% des erzeugten Stroms beträgt, und die installierten Notstromgeräte dürfen dieses Niveau nicht überschreiten. Um dies sicherzustellen ist eine Sicherung in dem Notstromkreis vorgesehen, welche Sicherheit gewährleistet und das System schützt.

In der alternativen Anordnung können Versorgungsnetz-unabhängige Steckdosen 38 installiert sein (bei denen es sich eigentlich um eine Teilmenge der hauseigenen Verbraucher 24 handelt, die in 3jedoch zum besseren Verständnis separat dargestellt sind). Diese Steckdosen werden normalerweise mit Netzstrom betrieben, wenn vorhanden, und erhalten den Strom aus der dchp-Einheit 25, wenn die Netzstromversorgung ausfällt.

In dieser Anordnung wird die Versorgungsnetz-unabhängige Steuerung von dem Versorgungsnetz-unabhängigen Modul 35 übernommen, das in der Steuertafel 33 der dchp-Einheit integriert sein kann. Eine Reihe von Standardsteckdosen kann dann genutzt werden, um Strom an vom Verbraucher ausgewählte Geräte zu liefern. Die Verdoppelung von Geräten wird so vermieden, da diese Steckdosen ständig Strom führen, egal ob Netzstrom vorhanden ist oder nicht.

Im Folgenden wird das Versorgungsnetz-unabhängige Modul unter Bezug auf 4 beschrieben.

Durch das Versorgungsnetz-unabhängige Modul 35 wird die dchp-Einheit in die Lage versetzt, ohne externe Stromversorgung durch das Versorgungsnetz zu funktionieren. Eine Batterie, ein Ladegerät oder eine ähnliche Stromquelle 41 stellt eine begrenzte Menge Strom bereit, um ein Wiederanlassen unter Versorgungsnetz-unabhängigen Betriebsbedingungen zu ermöglichen (siehe unten). Von dieser Stromquelle aus wird der Strom an die Steuerelektronik, eine Zündvorrichtung und einen Flammenwächter 42 gleitet, um den/die Brenner zu entzünden und um den Impulsgenerator 43 zu starten, damit dieser die Hinundherbewegung des Stirling-Motors veranlasst.

In 4 sind Zündvorrichtung und Flammenwächter 42 zwar als Teil des Versorgungsnetz-unabhängigen Moduls dargestellt, könnten jedoch stattdessen ebenso Teil des Steuerungssystems der dchp-Einheit sein.

Strom aus dem Wechselstromgenerator wird über die Netzschnittstelle 27 durch das Versorgungsnetz-unabhängige Modul 35 geleitet. Die Spannung des Wechselstromgenerators wird kontinuierlich überwacht und unterhalb eines sicheren Betriebsniveaus gehalten, mit Hilfe eines Spannungsregelsystems 45, das überschüssige Energie durch den Leistungsvernichter 47 entsorgt, wobei Wellensteuerungstechnologie eingesetzt wird. Es kann sich dabei entweder um einen luft- oder wassergekühlten Widerstand (wie beispielsweise einen Tauchheizkörper) handeln. Überspannung wird also bei einer Zeitkonstante von wenigen Millisekunden verhindert, so dass der Stirling-Motor vor schädlicher Überspannung geschützt wird. Sollte die Überspannung übermäßig hoch werden, beispielsweise aufgrund des Ausfalls von Komponenten, ist eine Notabschaltung vorgesehen, um den Motor abzuschalten.

Die Stromregelung 46 nutzt die Technologie einer Impedanzwandlerwellen-Steuereinheit, um übermäßigen Strombedarf in dem dchp-System zu regeln, wenn der Strom einen sicheren Schwellenwert überschreitet. Die Stromregelung 46 verhindert ein Blockieren des Wechselstromgenerators, wenn im Betrieb eine Überlast auftritt. Eine solche Überlast würde auftreten, wenn ein Benutzer während des Versorgungsnetz-unabhängigen Betriebs zu viele Verbraucher anschließen würde.

Unter normalen Betriebsbedingungen ermöglicht die Stromregelung 46 ein kontrolliertes Ansteigen des gelieferten Stroms, da die Spitzenspannung der Wellenform reduziert wird, um eine akzeptable Ausgangsleistung zu erhalten. Dies gewährleistet eine sichere Überstromwarnungs-Grenze, wie später beschrieben. Eine zusätzliche Überstromwarnung ist in Form eines Lichts oder eines hörbaren Summers 48 vorgesehen, der oder das sich entweder außen an der Einheit, oder an einer geeigneten, gut sichtbaren Stelle innen im Haus befindet.

Die Stromregelung ist in der Lage, das Strom-Spannungs-Verhältnis zu verändern (und eine konstante Leistung aufrechtzuerhalten), um den von bestimmten Anwendungen im Haushalt (z.B. Fernseher, Computerbildschirmen, Elektromotoren) gezogenen Anlassstrom bereitzustellen.

Die hohe Spannung wird nur kurzfristig bereitgestellt, woraufhin die Ausgangsleistung, sollte der Strom immer noch hoch sein, abgeschaltet wird. Die bei niedriger Spannung bereitgestellte, hohe Stromstärke gewährleistet auch, dass das System bei Bedarf Sicherungen zerbersten lassen kann.

In einer alternativen Anordnung wird ein zusätzlicher Regelwiderstand mit dem hauseigenen Verbraucherstromkreis in Reihe geschaltet. So wird die Impedanz des Verbraucherstromkreises erhöht und die Spannung reduziert.

Die Wellensteuerungstechnologie, die sowohl bei der automatischen Spannungsregelung als auch der Stromregelung eingesetzt wird, funktioniert, indem sie Strom von dem Eingangsstrom zieht und solcherart umformt, dass eine Ausgangswellenform des erwünschten Spannungspegels gebildet wird. Der gelieferte Strom ist dann eine Funktion der Impedanz des betriebenen Gerätes und somit der Vernichtungswiderstand im Falle der automatischen Spannungsregelung und die Verbraucherlastimpedanz im Falle der Stromregelung. Die Hauptfunktion der Wellensteuerung ist es somit, die Ausgangsspannungsamplitude mit Hilfe eines vorprogrammierten Steuerungsalgorithmus zweckmäßig zu variieren, um die beiden Steuerungsfunktionen der Eingangsspannungsregelung oder der Ausgangsstromregelung bereitzustellen.

Die Technologie der Wellensteuerung bietet eine ausgezeichnete Möglichkeit zur Steuerung und Manipulation der Wellenformen, verglichen mit der herkömmlichen Wechselrichter-Technologie.

Ablauf des Motoranlassens bei Netzstromausfall

Die Steuerungsstrategie der dchp-Einheit, nur dann Energie zu erzeugen, wenn es ökonomisch sinnvoll ist, bedingt, dass zwangsläufig ein Teil der Zeit für das Abschalten des Stirling-Motors aufgewendet wird. Das übliche Verfahren zum Anlassen des Motors (Sanftanlauf) sieht die Verwendung eines Spannungsimpulses von dem Versorgungsnetz vor, um die Hinundherbewegung zu initiieren. In einigen Fällen muss der Motor jedoch auch ohne Unterstützung aus dem Versorgungsnetz gestartet werden können.

Zu diesem Zweck umfasst die autarke dchp-Einheit eine kleine Batterie (wie oben beschrieben), um dieses selbständige Anlaufen zu ermöglichen. Die Batterie wird mit dem von der Einheit erzeugten Strom wieder aufgeladen, sobald die dchp-Einheit Energie erzeugt. Die Batterie liefert nicht wirklich den Reservestrom und kann daher so klein wie möglich gehalten werden. Gegenwärtig wird eine kleine, wiederaufladbare Art von Batterie bevorzugt (wie beispielsweise ein Blei-, Nickel-Cadmium- oder Metall-Nickel-Halid-Akkumulator), doch kann jede beliebige, wiederaufladbare Art verwendet werden. Ebenso kann auch jede andere Art von Gerät mit einer beschränkten Stromspeicherkapazität verwendet werden, darunter beispielsweise Kondensatoren. Aufgrund der geringen Größe kann es sich um eine Einrichtung zu minimalen Kosten handeln, die problemlos entsorgt werden kann. Außer diesem Anlassstrom, der von der Batterie geliefert wird, benötigt die dchp-Einheit keine externe Stromversorgung und kann unbegrenzte Zeit gänzlich unabhängig arbeiten.

Das Anlassen bei Ausfall der Netzstromversorgung erfolgt in 4 Schritten: (1) Entkoppeln des hauseigenen Stromkreises (durch die Netzstromunterbrechung 39), um den Netzwerksicherheitsbestimmungen zu entsprechen; (2) Zünden des Erhitzerkopfbrenners 2; (3) wenn der Erhitzerkopf eine Zieltemperatur von z.B. 220°C erreicht hat, liefert die Reservebatterie einen Gleichstrom-Rechteckspannungsimpuls, um den Generator in Bewegung zu versetzten und die Hinundherbewegung des Motors zu initiieren; (4) die Leistungsabgabe nimmt mit steigender Temperatur des Erhitzerkopfes zu, um den Notstrombedarf zu decken (Maximalleistung etwa 1,1 kW bei maximalen Betriebstemperaturen des Erhitzerkopfes).

Überstromwarnung

Wenn der Strombedarf der elektrischen Geräte bei Abwesenheit von Netzstrom die Kapazität des Stirling-Motors überschreitet, kann dies zu Beschädigung des Motors führen. Um das zu vermeiden, kann die Anzahl an Geräten, die an den unabhängigen Stromkreis angeschlossen sind, eingeschränkt werden. Wenn dem Verbraucher jedoch daran nicht angeschlossene Steckdosen 38 zur Verfügung stehen, liegt die Kontrolle über den Strombedarf in den Händen des Verbrauchers. Es ist also wichtig, dass in dem Reservestromkreis irgendeine Form von Überstromschutz vorhanden ist, um eine Überlastung des Stirling-Motors zu vermeiden.

Dabei kann es sich um eine flinke Sicherung/Schnellauslöser handeln, welche die Stromversorgung unterbricht, sobald der Grenzwert überschritten wird (wenn z.B. ein zusätzliches Gerät eingesteckt wird). Dies würde zu einer Unterbrechung des gesamten Stroms führen, und könnte, wenn es sich um Notfalleinrichtungen handelt, unwillkommen sein. Die Kenntnis des Verbrauchers über den Stromverbrauch der individuellen Geräte ist zwar in dieser Hinsicht nützlich, bietet aber keine zuverlässige Basis, um den Bedarf des Stromkreises unterhalb des Abschalt-Schwellenwerts zu halten.

Daher kann eine alternative Anordnung vorgesehen sein, bei welcher der Verbraucher eine gewisse Zeit lang eine "Hochstrom"-Warnung erhält. Dies ist unten beschrieben und ermöglicht es, dass der Strom das nominelle Maximum um etwa 10% überschreitet. Während dieser Überstrom-Phase wird die Spannung entsprechend reduziert, um die Leistung innerhalb der Grenzen des Generators zu halten. Dies führt zu einer geringen Leistungsverschlechterung der an den Versorgungsnetz-unabhängigen Stromkreis angeschlossenen Geräte.

Diese Verschlechterung ist für den Verbraucher wahrnehmbar und dient daher als Warnung, dass der Grenzwert im Begriff ist überschritten zu werden. Ein Überstrommelder ist außerdem in Form eines Lichts oder eines hörbaren Summers 48 vorhanden. Die erlaubte Spannungsverschlechterung wird allerdings bei einem solchen Pegel voreingestellt, dass keine Geräte beschädigt werden können, die sensibel auf die Eingangsspannung reagieren (Videorekorder, medizinische Pumpen, etc.).

Die Funktionsfähigkeit, diese "Hochstrom"-Warnung bereitzustellen, wird durch die Stromregelung 46 in 4 gewährleistet. Wenn ein übermäßiger Strombedarf auftritt, reduziert die Stromregelung 46 die Spitzenausgangsspannung, indem sie die Impedanzwandlerfunktion einsetzt, um die Amplitude der Spannungswellenform zu verringern.

Alternativ wird ein zusätzlicher, mit dem hauseigenen Verbraucherstromkreis in Reihe geschalteter Regelwiderstand von der Stromregelung 46 geregelt, um die Impedanz der Last zu erhöhen. So wird die Spannung an der Last auf geregelte Weise reduziert und die Stromstärke kann ansteigen, um der Last zu genügen, während die Ausgangsleistung auf einem sicheren Betriebsniveau gehalten wird.

Aufgrund der nicht mehr vorhandenen Stromversorgung der anderen hauseigenen Stromkreise sollte dem Verbraucher bewusst werden, dass die Stromkreise Versorgungsnetz-unabhängig arbeiten und er kann so die Überstromeffekte oder andere Warnzeichen als eine Notwendigkeit deuten, die an den Versorgungsnetz-unabhängigen Stromkreis angeschlossenen Geräte einzuschränken. Ein Nicht-Eingreifen des Verbrauchers bei Anzeichen von Überstrom führt zu einer Unterbrechung des gesamten Stroms, wenn die äußerste Grenze überschritten wird, und somit zu einer zwangsweisen Reduzierung des Versorgungsnetz-unabhängigen Strombedarfs. Der zu den Betriebseinrichtungen der dchp-Einheit geleitete Strom fließt weiterhin, trotz der Unterbrechung des übrigen Versorgungsnetz-unabhängigen Stromkreises. Das Haus wird somit weiterhin mit Wärme versorgt, auch wenn der Strom abgeschaltet ist. Sobald der Bedarf reduziert wird (z.B. durch Trennen von Geräten von dem Stromkreis) wird die Abschaltung zurückgesetzt und die Versorgung des Versorgungsnetz-unabhängigen Stromkreises wird wieder aufgenommen.

Trennung vom Versorgungsnetz aufgrund beeinträchtigter Netzstromqualität

Neben einem Netzstromausfall tritt die Trennung vom Versorgungsnetz auch dann auf, wenn die Versorgung mit Netzstrom aufgrund von Versorgungsproblemen, welche die Qualität des Netzstroms untergraben, vorher festgelegte Grenzen über- oder unterschreitet. Da eine schlechte Stromqualität nachteilige Auswirkungen auf die zu versorgenden, hauseigenen Geräte haben kann, kann die dchp-Einheit 25 eine alternative Stromversorgung bereitstellen, mit Hilfe derer der Verbraucher sensible Geräte vor Stromschwankungen schützen kann.

Die Unterbrechung bedeutet also nicht notwendigerweise, dass die Netzstromversorgung ausgefallen ist, sondern nur, dass sie sich nicht innerhalb der festgesetzten Grenzen befindet, welche eine Stromversorgung mit akzeptabler Qualität kennzeichnen. In einer solchen Situation liefert die dchp-Einheit den Strom für den Versorgungsnetz-unabhängigen Stromkreis, während das Versorgungsnetz weiterhin den Rest des Hauses versorgt, bis sich der Netzstrom wieder innerhalb akzeptabler Qualitätsgrenzen befindet.

Wärme-/Stromlast-Anpassung

Wenn die dchp-Einheit 25 parallel zu einem Versorgungsnetz betrieben wird, exportiert die Einheit überschüssig erzeugten Strom in das Versorgungsnetz und arbeitet, um den Wärmebedarf des Hauses zu decken. So lange ein ausreichender Wärmebedarf besteht, erzeugt der Motor bei voller Auslastung Energie und die Brenner werden so reguliert, dass sie auf möglichst wirtschaftliche Weise den Bedarf decken. Es besteht keine Notwendigkeit, Strom zu vernichten, da das Versorgungsnetz als Stromsenke genutzt wird und gleichzeitig eine passive Form der Spannungsregelung darstellt. Auf diese Weise kann die Steuerung für die an das Versorgungsnetz angeschlossene Einheit relativ einfach sein. Alternativ kann der Wärmebedarf niedrig sein, während ein großer Bedarf an Strom besteht. Wenn die Einheit an das Versorgungsnetz angeschlossen ist, kann sie den Wärmebedarf decken, während zusätzlicher Strom aus dem Versorgungsnetz importiert wird, um der Nachfrage des Haushalts zu entsprechen.

Bei Ausfall der Netzversorgung richtet sich die Betriebsweise der dchp-Einheit nach dem Strom- und Wärmebedarf des Haushalts. Wenn Wärme benötigt wird, muss der Stirling-Motor ausreichend Strom erzeugen (ca. 200 W), um die Betriebseinrichtungen der Einheit (Steuerelektronik, Pumpen, etc.) zu speisen. Doch selbst wenn der Brenner des Stirling-Motors mit minimaler Ausgabeleistung arbeitet, wird so überschüssiger Strom erzeugt, der entsorgt werden muss, wenn es keine Verwendung vor Ort dafür gibt. Wenn keine Verbindung mit dem Versorgungsnetz besteht, muss diese Stromsenke in dem Haus vor Ort sein.

Vorrichtungen zur Stromvernichtung:

Damit die Einheit auch bei einem begrenzten Bedarf an dem erzeugten Strom betrieben werden kann, kann Strom in einen wassergekühlten Widerstand geleitet werden, der sich in dem Kaltwasserzulauf zu dem Warmwassersystem des Hauses befindet. Dieser fungiert als ein Tauchheizkörper, um die überschüssige elektrische Energie in Wärme umzuwandeln, wie in jeder herkömmlichen, elektrischen Wasserheizungsvorrichtung. Sollte bereits ein Tauchheizkörper in dem Haus vorhanden sein, könnte dieser als alternative/zusätzliche Wärmesenke verwendet werden. Alternativ umfasst das Versorgungsnetz-unabhängige Modul gebläsegekühlte Widerstände, um überschüssige Energie abzuleiten.

Vorrichtungen zur Wärmevernichtung:

Da der Stirling-Motor ohne Bedarf an der Abwärme nicht betrieben werden kann, ist eine Verwendung für die überschüssige Wärme für den Versorgungsnetz-unabhängigen Betrieb notwendig. Die thermische Kapazität der Heizkörper der hauseigenen Heizungsanlage kann eine Senke für die erzeugte Wärme darstellen, doch wenn die Heizkörper abgestellt werden und kein warmes Wasser benötigt wird, wird die Temperatur des Wassers allmählich ansteigen. Die Leistung des Stirling-Motors, der von einer niedrigen Kühlertemperatur abhängig ist, wird dann sehr bald nachlassen. Wenn die Wassertemperatur des Systems zu hoch wird, kann ein zusätzlicher Luftstrom aus dem Umleitventil eingesetzt werden, um eine zusätzliche Luftkühlung bereitzustellen.

Wiederanschluss an das Versorgungsnetz

Wenn die Netzschutzsteuerung 26 eine Wiederaufnahme der Netzstromversorgung feststellt, wird die Einheit vorübergehend abgeschaltet. Dieses Abschalten ist notwendig, da die dchp-Einheit bei Trennung vom Versorgungsnetz mit ihrer eigenen Frequenz arbeitet.

Diese ist geringfügig abweichend von der normalen Netzfrequenz und nach der Phase des Versorgungsnetz-unabhängigen Betriebs nicht synchron. Ein Abschalten wird durchgeführt, worauf ein Neustart erfolgt, nachdem an dem Netzstromunterbrechungsmodul 39 ein Wiederanschluss an das Netz stattgefunden hat. Der übliche Netzstartvorgang, bei dem ein Spannungsimpuls vom Versorgungsnetz genutzt wird, um die Hinundherbewegung zu initiieren, kann für den Neustart verfolgt werden und die dchp-Einheit kann ihren Betrieb parallel zum Versorgungsnetz wieder aufnehmen.

Die gegenwärtigen gesetzlichen Bestimmungen fordern, dass der Anschluss an die Netzversorgung erst wieder erfolgen darf, wenn über eine Zeitspanne von drei Minuten hinweg überwacht wurde, ob der Netzstrom innerhalb der vorher festgelegten Grenzen liegt. Der Stirling-Motor wird daher erst dann abgeschaltet, wenn diese Bedingung erfüllt wurde. So wird sichergestellt, dass der Versorgungsnetz-unabhängige Stromkreis, der möglicherweise unentbehrliche Geräte im Haus speist, nicht länger inaktiv ist als notwendig, um einen sicheren Wiederanschluss zu gewährleisten. Nachdem drei Minuten lang überwacht wurde, dass der Netzstrom innerhalb der Netzschutzgrenzen liegt, läuft der Wiederanschlussvorgang wie folgt ab:

  • 1. Abschalten des Stirling-Motor-Brenners;
  • 2. Trennen der dchp-Einheit 25 von dem Versorgungsnetz-unabhängigen Stromkreis an der Netzschnittstelle 27 – der Versorgungsnetz-unabhängige Stromkreis ist inaktiv;
  • 3. Wiederanschließen des Netzstroms an dem Netzstromunterbrechungsmodul 39 – der Versorgungsnetz-unabhängige Stromkreis wird mit Netzstrom gespeist;
  • 4. Warten bis der Motor 1 angehalten hat, in der Regel wenn die Erhitzerkopftemperatur unter 200°C gefallen ist, nach rund zehn Minuten;
  • 5. Wiederanschließen der dchp-Einheit an das Versorgungsnetz an der Netzschnittstelle 27;
  • 6. Wiederanlassen des Stirling-Motor-Brenners 2;
  • 7. Warten bis die Erhitzerkopftemperatur 220°C beträgt;
  • 8. Senden eines Neustartimpulses, um die Hinundherbewegung des Stirling-Motors zu initialisieren.

Durch das Abschalten entstehen für den Verbraucher keine Unannehmlichkeiten, da die hauseigenen Hauptstromkreise einsatzbereit sind und der Versorgungsnetz-unabhängige Stromkreis nur kurzfristig zwischen den oben genannten Schritten 2 und 3 keinen Strom führt. Für den Fall, dass während dieser Wiederanschlussphase dennoch ein Wärmebedarf besteht, setzt der zusätzliche Brenner 12 den Betrieb fort. Die Betriebseinrichtungen der Einheit erhalten Strom von einem Teil des Versorgungsnetz-unabhängigen Stromkreises, so dass die Pumpen, etc. ihren Betrieb fortsetzen, gespeist von dem wiederangeschlossenen Netzstrom, und dabei ein Überhitzen der Heizungsanlage verhindern.

Eine alternative Anordnung kann integriert werden, bei der ein widerstandbasierter Netzschnittstellenstromkreis (wie für die Netzschnittstelle 27 verwendet und beschrieben in Dokument WO-A-01/69078) eingesetzt wird, um einen Wiederanschluss an die Netzversorgung ohne ein Abschalten des Motors zu ermöglichen. So wird sichergestellt, dass eine sanfte Resynchronisierung in dem Versorgungsnetz-unabhängigen Stromkreis stattfindet, wobei eine Anordnung mit unterbrecherlosem Umschaltkontakt in dem Netzschnittstellenstromkreis genutzt wird.

Eine weitere alternative Anordnung wäre die Verwendung einer Synchronisierungsschaltung an dem Netzstromunterbrechungspunkt 39. Diese überwacht und vergleicht die Spannungswellenformen des Netzstroms und des Stroms aus der dchp-Einheit. Sobald festgestellt wird, dass sie synchron sind, wird der Anschluss hergestellt.


Anspruch[de]
Energieversorgungssystem für den Haushalt zur Bereitstellung von Wärme und Strom für den Bedarf eines Wohnhauses, wobei das System umfasst

eine Anbindung an ein Versorgungsnetz (20), das zumindest einen Teil des Strombedarfs eines Haushalts unter normalen Betriebsbedingungen deckt;

eine kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt (25) mit einer Versorgung mit brennbarem Kraftstoff, die elektrischen Strom und Wärme (18) für zumindest einen Teil des Strom- und Wärmebedarfs eines Haushalts unter normalen Betriebsbedingungen erzeugt, wenn Netzstrom vorhanden ist, wobei die Einheit auch in Abwesenheit eines Versorgungsnetzes (20) betriebsfähig ist;

Vorrichtung zur Erkennung einer Unterbrechung der Stromversorgung vom Versorgungsnetz (20); und Vorrichtung zur automatischen Zuschaltung des Stroms aus der kombinierten Wärme-und-Strom-Einheit (25) bei Fehlen von Netzstrom, um eine Reservestromversorgung für ausgewählte, Strom verbrauchende Geräte bereitzustellen, deren Stromverbrauch geringer als der des gesamten Haushaltes ist.
System nach Anspruch 1, wobei die kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt einen Stirling-Motor (1) aufweist, umfassend einen Brenner (2) zum Einspeisen von Wärmeenergie in den Motorkopf, um ein hin- und herbewegbares Element anzutreiben, wobei das hin- und herbewegbare Element mit Hilfe eines Wechselstromgenerators (28) elektrische Energie erzeugt; und ein Anlaufsystem umfassend eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Anlaufens der Anlage (26), eine Zündvorrichtung zum Zünden des Brenners (42), einen Impulsgenerator (43), der einen elektrischen Impuls an den Generator liefert, um das hin- und herbewegbare Element in Bewegung zu setzen, sobald die Steuerungsvorrichtung feststellt, dass der Motorkopf eine Schwellwert-Temperatur erreicht hat, und eine lokal begrenzte Versorgungsquelle mit elektrischer Energie (41), zum Antreiben von Steuerungsvorrichtung, Zündvorrichtung und Impulsgenerator während des Anlaufvorgangs. System nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend einen Leistungsausgangsbegrenzer (45, 46), der so eingerichtet ist, dass er die Ausgangsleistung der kombinierten Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt bei Fehlen von Netzstrom auf einen Wert begrenzt, der gleich oder kleiner als ein festgelegter Maximalwert der verfügbaren Ausgangsleistung der kombinierten Wärme-und-Strom-Einheit ist. System nach Anspruch 3, wobei es sich bei dem Leistungsausgangsbegrenzer um eine Steuereinheit (45) handelt, die so eingerichtet ist, dass sie bei Fehlen von Netzstrom die momentane Spitzenspannung auf einen Wert reguliert, der geringer ist als eine normale Betriebsspannung, sobald der von einer Last gezogene Strom den Maximalwert an Strom überschreitet, der von der kombinierten Wärme-und-Strom-Einheit bei besagter normaler Betriebsspannung bereitgestellt werden kann. System nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit ein Impedanzwandlerwellen-Steuereinheit ist. System nach Anspruch 4 oder 5, weiterhin umfassend einen Zeitschalter, der so eingerichtet ist, dass er die Zeitdauer ermittelt, in welcher der von der Last gezogene Strom den Maximalwert an Strom überschreitet, der bei normaler effektiver Betriebsspannung bereitgestellt werden kann, wobei die Ausgangsleistung der kombinierten Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt von der Nutzung durch die ausgewählten, Strom verbrauchenden Geräte getrennt wird, sobald die ermittelte Zeit einen festgelegten Schwellwert überschreitet. System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Versorgung mit brennbarem Kraftstoff die Gasversorgung für Haushalte ist. System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei eine kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt einen Stirling-Motor (1) umfasst. System nach Anspruch 8, wobei der Stirling-Motor (1) ein Linear-Freikolben-Stirling-Motor ist. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den ausgewählten, Strom verbrauchenden Geräten um Komponenten handelt, die von den üblicherweise in einem Haushalt gespeisten Geräten gänzlich abgetrennt sind. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die ausgewählten, Strom verbrauchenden Geräte eine Teilmenge der üblicherweise in einem Haushalt gespeisten Geräte sind, und wobei das System mit einer Vorrichtung ausgestattet ist, mit Hilfe derer die Stromversorgung verschiedener, Strom verbrauchender Geräte bei Fehlen von Netzstrom selektiv unterbrochen werden kann. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zur Erkennung einer Unterbrechung der Stromversorgung vom Versorgungsnetz auch in der Lage ist, zu erkennen, ob sich die Hauptspannung oder die Frequenz des Netzstroms außerhalb akzeptabler Werte befinden. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Stromsenke zum Verbrauchen von Überschussstrom. System nach Anspruch 13, wobei die Stromsenke in Form eines luft- oder wassergekühlten Widerstandes vorgesehen ist. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Wärmesenke zum Verbrauchen von Überschusswärme. System nach Anspruch 15, wobei es sich bei der Wärmesenke um einen zusätzlichen Luftstrom handelt, welcher in der Lage ist, Wärmeleistung von der kombinierten Wärme-und-Strom-Einheit abzuleiten. System nach Anspruch 15, wobei die Wärmesenke ein Heizkörper einer Zentralheizungsanlage für Haushalte ist.






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